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187CAD经典教程第12章三维实体建模内容提要虽然在实际工程中大多数设计是通过二维投影图来表达设计思想并组织施工或加工的,但有很多场合,需要建立三维模型来直观表达设计效果,进行干涉检查或构造动画模型等。AutoCAD2008提供了强大的三维建模工具以及相关的编辑工具。本章将围绕基础的三维绘制命令展开讲解,重点介绍三维坐标的变换、三维模型的建模方法以及三维模型的观察、三维实体的渲染等内容。通过本章学习，应达到如下基本要求。①熟练掌握三维坐标的变换过程，并能运用到实体模型的创建过程中。②掌握实体模型的各种观察方法，做到能随时在立体和平面图形之间进行切换。③熟练运用三维图形的消隐和渲染功能，创建更加逼真的实体效果。12.1三维坐标系在三维空间中，图形对象上每一点的位置均是用三维坐标表示的。所谓三维坐标就是平时所说的XYZ空间。在AutoCAD中，三维坐标系分为世界坐标系和用户坐标系。12.1.1世界坐标系世界坐标系的平面图标如图12-1所示，其X轴正向向右，Y轴正向向上，Z轴正向由屏幕指向操作者，坐标原点位于屏幕左下角。当用户从三维空间观察世界坐标系时，其图标如图12-2所示。图12-1平面世界坐标系图12-2三维世界坐标系在三维的世界坐标系中，其表示方法包括直角坐标、圆柱坐标以及球坐标等三种形式。绝对坐标值的输入形式是：rθΦ，其中，r表示输入点与坐标系原点的距离，θ表示输入点和坐标系原点的连线在XY平面上的投影与X轴的夹角，Φ表示输入点和坐标系原点的连线与XY平面形成的夹角。相对坐标值的输入形式是：@rθΦ，例如：“1006030”表示输入点与坐标系原点的距离为100个单位，输入点和坐标系原点的连线在XY平面上的投影与X轴的夹角为60°，该188连线与XY平面的夹角为30°。12.1.2用户坐标系在AutoCAD中绘制二维图形时，绝大多数命令仅在XY平面内或在与XY面平行的平面内有效。另外在三维模型中，其截面的绘制也是采用二维绘图命令，这样当用户需要在某斜面上进行绘图时，该操作就不能直接进行。由于世界坐标系的XY平面与模型斜面存在一定夹角，因此不能直接进行绘制。此时用户必须先将模型的斜面定义为坐标系的XY平面，通过用户定义的坐标系就称为用户坐标系。建立用户坐标系，主要有两种用途：一是可以灵活定位XY面，用二维绘图命令绘制立体截面；另一个是便于将模型尺寸转化为坐标值。例如：如图12-3所示，当前坐标系为世界坐标系，用户需要在斜面上绘制一个新的圆锥体，由于世界坐标系的XY平面与模型斜面存在一定夹角，因此不能直接绘制，必须通过坐标变换，使世界坐标系的XY平面与斜面共面，转变为用户坐标系，这样才能绘制出圆锥体，如图12-4所示。图12-3当前坐标系为世界坐标系图12-4当前坐标系为用户坐标系启用“用户坐标系”命令有三种方法。★选择→【工具】→【新建UCS】子菜单下提供的绘制命令，如图12-5所示“UCS”子菜单★在已经打开的工具栏上右击，选择【UCS】选项,弹出如图12-6所示“UCS”工具栏★输入命令：UCS189图12-5“UCS”子菜单图12-6“UCS”工具栏12.2三维图形的类型在AutoCAD中，三维图形有三种类型，分别为线框型、表面模型和实体模型。12.2.1线框模型线框模型是用线条来表示三维图形,如图12-7所示,用9条线段来表示一个楔形体,用一个圆和两条线表示圆锥体,用两个圆和两条线段来表示一个圆柱体。线框模型结构简单，易于绘制。但同时也存在一些不足，因为线框模型没有面和体的信息,所以线框模型不能着色和渲染。图12-7线框模型学习提示：由于构成线框的每个对象必须单独绘制和定位，因此这种建模方式最耗时，而且不够形象直观，所以极少使用三维线框模型来表达三维模型。12.2.2表面模型表面模型是用物体的表面表示三维物体。表面模型包含了线、面的信息，因而可以解决与图形有关的大多数问题。表面模型适合于表示由复杂曲面构成的三维模型,如图12-8所示的曲面花饰和圆环体就是二个表面模型。但是表面模型没有包含体的信息，因此表面模型不能进行布尔运算以及计算模型的体积、质量等。通常，表面模型用于近似表示薄壳状三维模型。190图12-8表面模型学习提示：AutoCAD中的曲面模型是使用多边形网格来定义镶嵌面的，由于网格面是平面，因此网格只能近似于曲面。12.2.3实体模型实体模型是三维模型中最高级的1种，包含了线、面、体的全部信息。利用实体模型可以计算实体模型的体积、质量、重心、惯性矩等，在AutoCAD2008中可以对实体模型设置颜色、材质并进行渲染，从而创建出一幅逼真的效果图。绘制实体模型通常是先绘制简单的基本体，然后通过布尔运算、模型修改等操作形成组合体，如交、并、差等运算命令。在AutoCAD2008中创建的实体模型如图12-9所示。图12-9实体模型12.3三维观察通常三维模型建立完成后，用户希望从多个角度对其进行观察，此时就需要用户对模型的观察方向进行定义。在AutoCAD2008中用户可以采用系统提供的观察方向对模型进行观察，也可以自定义观察方向。另外，在AutoCAD2008中用户还可以进行多视口观察。12.3.1标准视点观察AutoCAD2008提供了10个标准视点，可供用户选择来观察模型，其中包括6个正交投影视图、4个等轴测视图，分别为主视图、后视图、俯视图、仰视图、左视图、右视图以及西南等轴测视图、东南等轴测视图、东北等轴测视图、西北等轴测视图。选择标准视点对模型进行观察，有两种方法。★选择→【视图】→【三维视图】子菜单下提供的选项，如图12-10所示★在已打开的工具栏上右击，单击选择“视图”选项,系统弹出【视图】工具栏，如图12-11191所示。图12-10三维视图子菜单图12-11视图工具栏12.3.2动态观察器利用“动态观察器”对三维模型进行观察，有三种方法。★选择→【视图】→【动态观察器】菜单命令★在已打开的工具栏上右击，单击选择“动态观察器”选项,系统弹出“动态观察器”工具栏，单击“动态观察”按钮中的“自由动态观察”按钮启用“动态观察器”命令后，系统将显示一个转盘，如图12-12所示。按住鼠标左键不放并拖动鼠标，三维模型将随之旋转，当到达所需视角后，按【Enter】键或是【ESC】结束命令，也可以单击鼠标右键，从弹出的光标菜单中选择【退出】选项即可。图12-12三维动态观察器在拖动鼠标旋转模型时，鼠标指针指向转盘的不同部位，会显示为不同的形状，拖动鼠标也将会产生不同的显示效果。192当移动鼠标到大圆之外时，指针显示为，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心并垂直于屏幕的轴旋转。当移动鼠标到大圆之内时，指针显示为，可以在水平、铅垂、对角方向拖动鼠标旋转视图。当移动鼠标到左边或右边小圆之上时，指针显示为，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心的竖直轴旋转。当移动鼠标到上边或下边小圆之上时，指针显示为，拖动鼠标视图将绕通过转盘中心的水平轴旋转。12.4创建基本三维实体模型AutoCAD中提供了一些绘制常用的简单三维实体的命令，由这些简单三维实体可以编辑成各种实体模型。三维实体具有质量特性，形体内部是实心的，可以通过布尔运算进行打孔、挖槽和合并等操作来创建复杂的三维模型，而表面模型无法进行这些操作。多段体、长方体、楔形体、圆锥体、球体、圆柱体、圆环体、棱锥体、螺旋以及平面曲面，是最基本的三维模型，这些基本的三维模型通常是创建复杂三维模型的基础，一般在实体绘制实体过程中，为了提高效率，首先在已经打开的工具栏上鼠标右击，选择“建模”选项，调出绘制“建模”的工具栏，如图12-13所示，绘图时建议用户使用“建模”工具栏。图12-13“实体”工具栏12.4.1绘制多段体多段体可以看作是带矩形轮廓的多段线，只不过直接绘制出来就是实体，在建筑立体图中用多段体来创建墙体非常方便。启动“绘制多段体”的命令有如下三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【多段体】命令。★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的按钮。★在命令行中执行POLYSOLID命令。【例】绘制如图12-14所示多段体图形193图12-14多段体图例12.4.2绘制长方体长方体是最基本的实体模型之一，作为最基本的三维模型，其应用非常广泛。绘制长方体的命令有如下三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【长方体】菜单命令★单击【建模】工具栏中的“长方体”按钮★输人命令：BOX学习提示：绘制长方体比较简单，绘制长方体的默认方法是直接通过长方体两个角点及指定Z轴上的点进行供绘制，如图12-15所示。如果没有已有的定位点，这种方式不能精确绘图，因此常通过指定长、宽、高的值进行绘制。图12-15绘制长方体图例12.4.3绘制楔形体启用“楔形体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【楔形体】菜单命令★单击【建模】工具栏中的“楔形体”按钮★输入命令：WEDGE学习提示：楔形体实际相当于是将长方体从两个对角线处剖切来的实体，由于在机械建模中，经常需要创建的肋板等都是楔形体形状。绘制的高度是指从第一个角点（起点）开始向上的高度。如图12-16所示的形式。194图12-16楔形体图例12.4.4绘制圆锥体启用“圆锥体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【圆锥体】菜单命令★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆锥体”按钮★输入命令：CONE【例】分别绘制一个直经为80、高为80的圆锥体，绘制一个以长轴为80、短轴为40的椭圆底面，高为80的圆锥体，如图12-17所示。a)圆锥体b)底面为椭圆图12-17圆锥体图例12.4.5绘制球体启用“球体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【球体】菜单命令★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“球体”按钮★输入命令：SPHERE【例】绘制一个直径为120的球体，如图12-18所示。起点起点195a)b)图12-18球体图例a)概念视觉显示b)二维线框12.4.6圆柱体启用“圆柱体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【圆柱体】菜单命令★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆柱体”按钮★输入命令：CYLINDER【例】绘制直经为200、高度为100的圆柱，如图12-19所示。a)b)c)图12-19绘制圆柱体图例a)底圆b)绘制圆柱c)二维线框显示12.4.7圆环体启用“圆环体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【圆环体】菜单命令★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“圆环体”按钮★输入命令：TORUS【例】绘制一个半经为100、圆管半经为20的圆环体，如图12-20所示。196a)b)图12-20圆环体图例a)圆环体b)二维线框显示12.4.8绘制棱锥体棱锥体与圆锥体不同之处在于圆锥体是回转面，而棱锥体除底面外，其他部分由平面组成。棱锥体命令可以创建3～32个侧面的棱锥体。启用“棱锥体”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【建模】→【棱锥面】命令。★单击【建模】工具栏或“三维制作”面板中的“棱锥面”按钮★在命令行中执行PYRAMID(PYR)命令。【例】绘制如图12-21所示，棱锥底面内接圆半径为200，高为150的六棱锥。图12-21棱锥图例12.4.9绘制螺旋启用“螺旋”命令有三种方法。★选择→【绘图】→【螺旋】菜单命令。★单击“建模”工具栏或“三维制作”面板中的按钮。★在命令行中执行HELIX命令。197学习提示：在AutoCAD中，螺旋实际上是一个特殊对象，也可以说它是二维对象，这里归于三维实体模型，是由于其被放置在“建模”工具栏中，而且它同时位于不同的平面中，但直接用螺旋命令绘制出来的对象还不属于实体。【例】分别绘制底圆半径为100，顶圆半径为100；底圆半径为100，顶圆半径为50，高度为200的螺旋，如图12-22所示。图12-22螺旋图例12.5二维图形转换成三维立体模型三维建模不仅可以通过图素建立，也可以通过对二维图形的拉伸或旋转来产生。尤其在已有二维平面图形、已知曲面立体轮廓线的情况下，或立体包含圆角以及用其他普通剖面很难制作的细部图形时，通过拉伸和旋转操作产生三维建